Министерство  образования и  науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

 высшего  профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

   Физико-технологический  факультет 

   Кафедра: «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы » 

Курсовая  Работа

по дисциплине:

«Теплотехника»

на тему:

Проектирование  электрической печи для нагрева под  термообработку 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 

Самара 2011г. 

Содержание.

Введение……………………………………………………………………………… 1

Раздел 1. Расчёт времени нагрева металла с  передачей тепла преимущественно  излучением…………………………………………………………………………….4

Раздел 2. Расчёт мощности печей сопротивления………………………………………………………………………...8

Раздел 3. Расчёт  нагревательных элементов……………………………………….11

График нагрева  изделий в печи…………………………………………………………………………………….13

Задание на специальную  разработку……………………………………………………………………………...14

Список использованных источников……………………………………………………………………………. 15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

   Электрическая печь сопротивления, электрическая  печь, в которой тепло выделяется в результате прохождения тока через  проводники с активным сопротивлением. Электрические печи сопротивления  широко применяются при термической  обработке, для нагрева перед  обработкой давлением, для сушки  и плавления материалов. Распространение  электрических печей сопротивления  определяется их достоинствами: возможностью получения в печной камере любых  температур до 3000°С; возможностью равномерного нагрева изделий путём соответствующего размещения нагревателей по стенкам  печной камеры или применением принудительной циркуляции печной атмосферы; лёгкостью  автоматического управления мощностью, а следовательно, и температурным  режимом печи; удобством механизации  и автоматизации печей, что облегчает  работу персонала и включение  печей в автоматические линии; хорошей  герметизацией и проведением  нагрева в вакууме, защитной (от окисления) газовой среде или специальной  атмосфере для химико-термической  обработки (цементация, азотирование); компактностью и пр.

   Большая часть электрических печей сопротивления  — косвенного действия; в них  электрическая энергия превращается в тепловую при протекании тока через  нагревательные элементы и передаётся нагреваемым изделиям излучением, конвекцией либо теплопроводностью. Печь состоит  из рабочей камеры, образованной футеровкой из слоя огнеупорного кирпича, несущего на себе изделия и нагреватели  и изолированного от металлического кожуха теплоизоляционным слоем. Работающие в камере печи детали и механизмы, а также нагревательные элементы выполняются из жаропрочных и жароупорных сталей и других жароупорных материалов. Для нагрева больших партий одинаковых деталей применяют печи непрерывного действия (методические), в которых изделия непрерывно перемещаются от одного торца к другому. Производительность таких печей больше, нагрев изделий более однороден, расход энергии меньше; как правило, они в высокой степени механизированы. В электрических печах сопротивления с рабочими температурами до 700° С (как периодического действия, так и в методических) широко используется принудительная циркуляция газов с помощью вентиляторов, встраиваемых в печь или вынесенных из печи вместе с нагревателями в электрокалориферы. Электрические печи сопротивления косвенного действия для расплавления легкоплавких металлов (свинец, баббит, алюминиевые и магниевые сплавы) конструируются либо в виде печей с металлическим тиглем и наружным обогревом, либо в виде отражательных печей с ванной и расположенными над ней в своде нагревателями. К лабораторным электрическим печам сопротивления относятся небольшие трубчатые, муфельные и камерные печи, а также термостаты и сушильные шкафы.

   В печах прямого действия изделие (пруток, труба) непосредственно нагревается  протекающим через него током, что  позволяет сосредоточить в нём  большую мощность и обеспечить очень  быстрый нагрев (секунды, доли минуты).

Почти все промышленные и лабораторные печи снабжаются автоматическим регулированием температурного режима.

   Электропечи сопротивления являются наиболее распространенным видом электрических печей, они  применяются для нагрева различных  изделий и плавки металлов.

   

Промышленные  электропечи сопротивления предназначены  для проведения термической обработки  металлов в окислительной атмосфере, для термообработки (нагрев, закалка, обжиг), для нормализации металлических  изделий, полимеризации, химико-термической  обработки, плавки чугуна и пайки  металлов, термообработки изделий из керамики, фарфора, стекла и других материалов.

   

Электропечи сопротивления классифицируют:

   

по роду работы - на печи периодического и непрерывного действия;

   

по рабочей  температуре - на низкотемпературные (до 400 °C),  среднетемпературные (до 1000 °C), высокотемпературные(до 1600 °C),  на более высокие температуры изготавливаются вакуумные электропечи или электропечи с контролируемыми атмосферами;

   

по атмосфере  в рабочем пространстве печи - на печи с окислительной (воздушной) атмосферой, на печи с контролируемой средой и  вакуумные печи;

   

по конструктивному  исполнению - на камерные, шахтные, колпаковые, камерные с выдвижным подом, плавильные, конвейерные, толкательные, барабанные, карусельные, печи с пульсирующим подом  и др;

   

по типу обрабатываемого материала - на печи для термообработки металла, печи для  обжига керамики и фарфора, печи для  спекания, изгибания, закалки стекла, печи для прокалки опок и др.

   

Электропечи сопротивления, как правило, характеризуются  номинальной мощностью, мощностью  холостого хода, размерами рабочей  камеры, рабочей температурой, производительностью  печи, разновидностью атмосферы в  печи.

   

Номинальная мощность печи - общая мощность, которую  способны выделить все нагреватели  электропечи, а также мощность электродвигателей  всех механизмов печи при расчетном  напряжении сети.

   

Потребляемая  мощность всегда меньше установленной  и зависит от коэффициента использования  печи, что связано со старением  нагревателей и износом футеровки.

   

Мощность  холостого хода печи - мощность, потребляемая печью в установившемся тепловом режиме при рабочей температуре, без учета мощности нагрева садки  и мощности печных механизмов.  
Размер рабочей камеры – расчетный максимальный размер садки, которая может быть загружена в печь, и нагрета по используемой технологии.Рабочая температура - температура, которая может быть получена в рабочем пространстве печи при обеспечении достаточного срока службы печного агрегата.Производительность печи - количество обрабатываемого материала в единицу времени.В электропечах периодического действия изделия загружаются в рабочее пространство через загрузочные отверстия и находятся там, как правило, неподвижно в течение всего технологического процесса.

2.    

   В электропечах непрерывного действия обрабатываемые изделия с помощью транспортной системы передвигаются от загрузочного отверстия печи к разгрузочному, при этом нагреваясь до необходимой  температуры и изменяя свое состояние  согласно технологическому процессу. Печи непрерывного действия, по сравнению  с печами периодического действия, имеют большую производительность, их проще комплектовать в поточные и автоматические линии.

      

   Рабочая камера электропечей сопротивления  изготавливается из качественных огнеупорных  материалов. Высокотемпературные нагревательные элементы устанавливаются вдоль  боковых стенок на специальных керамических трубках, также встречается размещение дополнительных нагревателей на поде, своде, задней стенке или крышке электропечи.

      

   Электропечи сопротивления с нагревателями  из карбида кремния применяются  во многих отраслях народного хозяйства. Эти печи нашли широкое распространение  при проведении технологических  процессов с рабочими температурами 1000 - 1400°С. 
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
   

    
   

   Раздел 1.

   Расчёт  времени нагрева  металла с передачей  тепла преимущественно  излучением.

   Размещаем изделия  вплотную в 2 ряда по 3 изделия в каждом.

   Принимаем расстояние от изделий до стенок печи по 100 мм. Тогда  внутренняя ширина печи:

   D_печи= 250*2+100+200*2=1000 мм

   Длина пода печи:

   L_печи=1500*4+3*100+2*200=6700 мм

   Принимаем H=0,5 м -высота камеры.

   Нагревательные  элементы размещаем на своде и  поду печи.

   Принимаем, что  поддон с изделиями расположен на двух опорах, ширина которых по 115 мм. Опоры расположены вдоль печи. Тогда ширина пода печи, на которой  можно разместить нагревательные элементы будет:

   1000-2*115=770 мм

   Длину нагревательных элементов принимаем 6600 мм (с учётом расстояния до стенок печи по 50 мм ).

   Эффективная поверхность  футеровки, излучающая тепло на металл снизу:

   F^`_{ст. н}=6,6*0,77=5,082 м².

   Общую ширину нагревательных элементов принимаем 940 мм.

   Эффективная поверхность  футеровки, излучающая тепло на плиту  сверху:

   F^`_{ст. в}=6,6*0,94=6,204 м².

   Следовательно, на поду печи будет размещено 5,082/(5,082+6,204)= 45% общей мощности печи, расходуемой на нагрев изделий.

   Соответственно  распределению мощности в рабочем  пространстве печи можно принять, что  на глубину 45 % плита будет нагреваться  снизу, а на глубину 55% -сверху. 
    
    
    
    
   

   Поверхность изделий, воспринимающая тепло:

   F’_м=(2πrh+2π

   )*7=(2*3,14*0,125*1,5+2*3,14*

   *7=8,87

   Степени черноты  кладки и изделий ε_м=ε_ст=0,8,

   =5,7. Тогда приведённый  коэффициент излучения будет:

   С_пр=C₀/

   +

   *

   (

   -

   1)=5,7/

   +

   *

   (

   -

   1)=3,56 Вт/(м²*град⁴).

   Рассчитаем нагрев при постоянном удельном тепловом потоке.

   Эффективную температуру  в конце первого и во второй периоды нагрева принимаем на 50⁰С выше конечной температуры нагрева металла:

   t_эф =t_кон+50=810+50=860⁰С.

   Из условий  наилучшего использования мощности печи, принимаем температуру поверхности  плиты в конце первого периода  нагрева, которая составляет 85% температуры  печи:

   t_п1=0,85* t_кон=0,85*860=731⁰С

   Тогда тепловой поток

   q_м=

   =3,56* [( (860+273)/100)⁴-( (731+273)/100)⁴]= 22490,8 вт/м²

   Температура t_эф в начале нагрева:

   t_эф.нач=100*

    С_пр)-(273/100)⁴-273=100*

   -273=100*8,89-273=925,3-273=616 ⁰С

   Коэффициенты  теплоотдачи соответственно в начале и в конце первого периода  нагрева:

   α_л.нач=3,56*[((616+273)/100)⁴-(20+273/100)⁴)/616-20]=3,56*[(6246-73)/596)]=3,56*10,35=36,87 Вт/(м²*⁰С).

   α_л.1= С_пр *((

   3,56*[(((860+273)/100)⁴-((616+273)/100)⁴)/860-616]=3,56*41,93=149,3 Вт/(м²*⁰С).

   Среднее значение коэффициентов теплоотдачи:

   ά_л1= (α_л.нач+ α_л.1)/2=(36,87+149,3)/2=93,085 Вт/(м²*⁰С).

   Средний коэффициент  теплопроводности:

   λ₁=(λ₂₀+λ₇₃₁)/2=(51,62+28,9)/2=40,26 Вт/(м*⁰С).

   Тогда

   Bi₁= ά_л1*r/ λ₁=93,085*0,125/40,26=0,28

   5. Так как критерий Bi₁ больше 0,25,то при данном режиме нагрева изделия могут быть отнесены к термически массивным телам.

      Средняя температура  по массе в конце первого периода  нагрева

      t_м1= t_п1-0,6* q_м* r/2* λ₁ =731-0,6*22490,8*0,125/2* 40,26=710 ⁰C

      Температура середины

      t_c1=t_м1-1/2*Δt=710-1/2*15=702,5⁰C.

      Теплосодержание изделий при t_м1=710⁰C,

      i

      _м1=437 кДж/кг

      Время нагрева в первый период:

      τ = r*p*,

      i

      _м1/2* q_м=0,125*7800*437/3,6*2*22490,8=2,63 ч

      Температура поверхности  в конце второго периода нагрева  при заданной разности температур Δt=15⁰С

      t_п2= t_нач.+2/3* Δt=810+2/3*15=820 ⁰C

      Температура середины не должна быть ниже:

      t_c2= t_нач-15/3=810-15/3=805 ⁰C

      Коэффициент теплоотдачи  в конце нагрева:

      α_л2= С_пр *((

        /

      3,56[(((860+273)/100)⁴-((820+273)/100)⁴)/860-820)]=3,56*55=196,4 Вт/(м²*⁰C)

      Среднее значение коэффициента теплоотдачи во второй период нагрева:

      ά_л2=( α_л.1+ α_л2)/2=(149,3+196,4)/2=172,85 Вт/(м²*⁰C)

      Среднее значение коэффициента теплопроводности во второй период нагрева:

      λ₂= (λ₇₁₀+ λ₈₁₀)/2=(29,4+24,9)/2=27,15 Вт/(м*⁰C)

      Критерий Био:

      Bi₂= ά_л2*r/ λ₂=172,85*0,125/27,15=0,8

      Относительная температура для середины во второй период нагрева:

      θ_с2=( t_эф- t_c2)/( t_эф- t_м1)= (860-805)/(860-710)=55/150=0,37

      Критерий Фурье (стр. 44, рис. 14):F_O2=0,8

      По графику  [1,стр.42, рис.12] относительная температура поверхности изделий:

      θ_п2=0,28

      6. Тогда температура  поверхности в конце второго  периода нагрева:

         t_п2= t_эф-( t_эф- t_м1)* θ_п2=860-(860-710)* 0,28=818 ⁰C

         Ввиду хорошего совпадения температуры поверхности  с ранее принятой (820 ⁰C) , уточнять  ά_л2, λ₂ и Bi₂ не требуется.

         Средняя теплоёмкость во второй период нагрева:

         с₂=( i₈₀₅- i₇₁₀)/(805-710)=(545-437)/95=1,1 кДж/кг*⁰C

         Коэффициент температуропроводности:

         a_м2= λ₂/ с₂*ρ=27,15*3600/1100*7800=0,011 м²/ч

         Время второго периода  нагрева:

         τ₂=F_O*r²/ a_м2=0,8*

         /0,011=1,14 ч

         Общее время  нагрева изделий:

         τ=τ₁+τ₂=2,63+1,14=3,77 ч

         Масса одного изделия (Плотность стали ρ=7800 кг/м³) :

         m=V* ρ =π*r²*h*7800=3,14*(0,125)²*1,5*7800=574 кг

         Удельная производительность печи:

         p=m*n/ D_печи* L_печи* τ =574*7 / 1*6,7*3,77= 4018/25,259= 159,1 кг/

         *ч 
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
         

          
         

         Раздел 2

         Расчет мощности печей сопротивления (стр. 287)

         Мощность, потребляемая печью во время работы, расходуется  на нагрев металла и покрытие тепловых потерь:

         =

         +

         Полезная мощность

         В печах, с изменяющейся во времени температурой, наибольший расход энергии на нагрев металла  соответствует первому периоду  нагрева (при постоянном тепловом потоке), то есть:

         =

         * /1000 = 22490,8 * 8,87 /1000= 199,5 кВт

         За первый период нагрева металлу передано тепла:

         =

         *

         /1000 = 22490,8 * 8,87 * 2,63 /1000= 524,6 кВт*ч 
          
         

         Тепловые потери

         Расход мощности на компенсацию тепловых потерь в  нагревательных печах сопротивления  складывается из:

         1. Потери через кладку печи в окружающую среду
         2. Потери вследствие тепловых коротких замыканий

         Потери  через кладку печи в окружающую среду

         Кладка  печи состоит из трех слоев:

         - Слой  шамотного кирпича толщиной 

         =120 мм

         - Слой  диатомитовой засыпки толщиной 

         =50 мм

         -Слой  красного кирпича толщиной 

         = 250 мм

         Коэффициенты  теплопроводности материалов равны:

         = 1,041+ 1,512* * t Вт/м* ⁰C

         =0,1315+2,33 * * t Вт/м*⁰C

         = 0,7 Вт/м * ⁰C 
          
         

         8.

         1 период нагрева

         Температура внутренней поверхности кладки  700

         C

         Температура воздуха в цехе 20

         С

         Сначала необходимо определить тепловое сопротивление  слоев.

         Для трехслойной  кладки средняя температура диатомитовой засыпки:

         = 0,5*(+ ) = 0,5*(700+20) = 360 C

         Средняя температура шамотного слоя:

         =  0,5* (  ) = 0,5* (700+360) = 530 C

         Средняя температура наружного (кирпичного) слоя:

         = 0,5*( + )= 0,5* (360+20)= 190 C

         Суммарное тепловое сопротивление кладки:

         = *

         - толщина слоя

         = (1 / 1,041 + 1,512* *530) * 0,12 + (1/ 0,1315+2,33* *360) *0,05 +1/0,7*0,25= 0,89*0,12+4,64*0,05+0,36= 0,6988 *град/вт

         Этому сопротивлению соответствует значение удельного теплового потока:

         q= -

         / =700-20/0,6988= 973,1 Вт/

         N= q*F’_м= 973,1*8,87= 8631,4  Вт

         2 период нагрева

         Температура внутренней поверхности кладки 870 ⁰C, воздуха в цехе 20 ⁰C .Средняя температура слоя диатомитовой засыпки:

         =0,5*(+ )= 0,5*(870 + 20)= 445 ⁰C

         Средняя температура шамотного слоя:

         =0,5*(+ )=0,5*(870 + 445)=657 ⁰C

         Средняя температура наружного слоя:

         = 0,5*( + )= 0,5*(445 + 20) = 232 ⁰C

         Суммарное тепловое сопротивление кладки:

         = (1 / 1,041 + 1,512* *657) * 0,12 + (1/ 0,1315+2,33* *445) *0,05 +1/0,7*0,25

         = 0,669

         * ⁰C /Вт

         9.

         Этому сопротивлению соответствует значение удельного теплового потока:

         q’_м=870-20/0,669= 1270,5 Вт/

         N’_м= q’_м*F’_м =1270,5 * 8,87=11269,3 Вт

         Потери вследствие тепловых коротких замыканий:

         =N  _:

         =8631,4  Вт

         = N’_{м :}

         =11269,3 Вт

         Всего =8631,4+11269,3= 19900,7 Вт = 19,9 кВт

         Общая потребляемая мощность печи:

         = 199,5 + 2*19,9= 239,3 кВт

         Установленную мощность принимаем на 30% выше потребляемой:

         = 1,3*239,3 = 311,09 кВт

         КПД печи:

         η=

         /

         *100%= 199,5/239,3*100= 83,4 % 
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
         

         10. 
         

         Раздел 3 (стр.295)

         Для расчета  нагревательных элементов необходимо знать размеры пространства печи, установленную мощность, рабочую  температуру нагревателей и напряжение между фазами электрической сети.

         Напряжение сети 380 В. Установленная мощность

         = 311,09 кВт. Коэффициент  избытка мощности 

         =1,3. Температура  поверхности изделий в конце  второго периода нагрева 818 ⁰C.и Выбираем конструкцию ленточных зигзагообразных нагревателей

         При минимальном  шаге h=5,5*d (d-диаметр ленты) .

         d=20 мм

         Коэффициент эффективности  системы нагревателя χ_эф= 0,7 (рис.100 ,стр.300):

         F’_м / F’_ст.н. + F’_ст.в.= 8,87 / 5,082 + 6,204 = 0,785

         F= F’_ст.н. + F’_ст.в / F’_м =11,286/ 8,87= 1,3

         =h/d=5,5

         Максимальная  поверхность ленты, размещаемая  на 1

          поверхности  кладки печи:

         =52200/

         =52200/5,5= 9500

         Приведенный коэффициент  излучения для идеального нагревателя  :

         = 5,7/ (1/

         +1/  -1 ) = 5,7/ (1/0,8 + 1/0,8 -1) = 3,8 Вт/м² * ⁰С

         Определим значение коэффициента местного сопротивления  ζ :

         ζ=

         *F’_м/ * χ_эф* F_max*(F_ст.н.+ F_ст.в)=   88700 / 285197 = 0,31

         Суммарные тепловые потери

         = 19,9*2=39,8 кВт

         Потери тепла, отнесенные к 1

         эффективной поверхности  изделий:

         = /F’_м= 39,8*1000/8,87=4487 Вт/

         Температура нагревателя:

         =100* ⁴

         = 100* ⁴

         =1257 К

         или t_э=

         -273= 1257-273=984 ⁰C 
         

         11.

         Идеальная удельная мощность гаревателя:

         W_ид= 3,8*10^-4  *( (Т_э/100)⁴- ( T_п2+273 / 100)^{4 )}=

           =3,8*

         *(

          –(

         )= 4,1 Вт/

         Реальная мощность нагревателя:

         χ_м= 0,9 (рис.101,стр 300. F’_м / F’_ст=0,785_.)

         W_э = W_ид * χ_эф* χ_м= 4,1*0,7*0,9= 2,583 Вт/см² 
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
         

         12. 
         

         График нагрева  изделий в печи 
          
         

         τ	Tп	Тс
         0	20	20
         1,14	820	805
         2,63	731	702,5

          
          
          
         

         13.

         Задание на специальную  разработку:

         Спроектировать  электрическую печь для нагрева  под термическую обработку крупногабаритных изделий из конструкционных сталей. Размеры изделия:

         d*l = Ø 0,25*1,5 (м)

         Конечная температура  нагрева:

         t_кон= 810 ⁰C

         Производительность  печи:

         P= 7 изд/сут

         Обоснование целесообразности остывания изделия вне печи, по сравнению с остыванием вместе с  печью:

         В обоих случаях, подразумевается отжиг, он заключается в нагреве заготовок или изделий до определенной температуры, выдержке их при данной температуре с последующим медленным охлаждением. При этом заготовки или изделия получают устойчивую структуру без остаточных напряжений. Цели отжига – снятие внутренних напряжений, устранение структурной и химической неоднородности , снижение твердости и улучшение обрабатываемости, подготовка к последующей операции термообработки.  
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
         

         14.

         Использованные  источники:

         - Учебник А.С.Телегин  “Теплотехнические расчеты металлургических печей” ( стр.275-277, 295-305)

         -  В.А.Кривандин, В.А.Морозов “Атлас металлургических печей”

         - techlib.org

          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
          
         

         15.